[더리포트=이진수기자] 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 이성수 박사팀이 로스알라모스 연구소 (LANL) 김유승 박사팀과의 공동연구를 통해 고분자전해질 연료전지의 성능향상에 핵심역할을 하는 이오노머의 미세다공성 구조를 조절할 수 있는 플랫폼을 개발했다고 20일 밝혔다.

한국과학기술연구원에 따르면 수소연료전지는 수소와 공기 중의 산소의 반응을 통해 전기 에너지를 만들어내는 장치로, 공해 물질을 배출하지 않아 친환경 전원 공급 장치로 주목받고 있다. 

다양한 방식의 수소연료전지 가운데 이온교환이 가능한 고분자 막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지 (PEMFC)는 비교적 무게가 가볍고 시동 시간이 빨라 가정용, 자동차용 전원으로 연구되고 있다.

PEMFC는 작동 온도가 높을수록 전기화학 반응 속도가 빨라지고 불순물에 대한 높은 저항성을 갖기 때문에 고성능을 요구하는 트럭, 지하철, 기차, 비행기, 선박 등에 사용될 수 있다. 

그러나 100℃ 이상의 고온에서는 고분자 내 수분이 증발하면서 이온전도도가 감소하는 것을 방지하기 위해 별도의 냉각 시스템이 필요하고, 이로인해 증가되는 무게는 PEMFC의 효율성 저하로 이어진다. 냉각 시스템 없이 PEMFC를 사용하기 위해서는 80~200℃의 고온·무가습 조건에서의 성능 개선이 필요한 상황이다.

이와관련 포스폰산(RPO3H2)을 함유하는 고분자와 설폰산(RSO3H)을 함유하는 고분자를 조합하면 산의 세기가 더 센 설폰산의 수소가 포스폰산으로 전달되고, 양성자화된 포스폰산 이오노머가 형성된다. 이러한 복합 이오노머를 사용하면 물 없이도 이온전도가 가능하여 고온·무가습 조건에서 높은 수소연료전지 성능을 보이게 된다. 여기에 반응기체인 수소와 산소의 접근성을 높인다면 더 높은 성능 향상을 기대할 수 있다.

KIST-LANL 공동연구진은 복합 이오노머가 미세다공성 구조를 가지도록 하여 반응기체의 접근성을 유도하였다.

연구진은 복합 이오노머의 미세다공성 구조는 이를 분산시킨 용매에 달려있으며, 특히 분산 용매의 pKa (산의 세기)와 포스폰산 이오노머 미세다공성 구조 사이에 직접적인 상관관계가 있다는 것을 밝혀냈다.

이후 고온-수소연료전지의 성능평가를 통해 복합 이오노머의 미세다공성 구조가 연료전지의 성능에 긍정적인 영향을 미치는 것을 확인하였다.

KIST 이성수 박사는 “이번 성과는 고온-수소연료전지에서 이오노머 분산 용매의 pKa의 중요성을 발견한 것”이라며 “소형 이동 수단 뿐만 아니라 트럭이나 선박 등과 같은 대형 모빌리티로 수소연료전지의 활용처를 넓혔다”고 연구의 의의를 밝혔다.

이번 연구는 미국 에너지부 Advanced Research Projects Agency-Energy, 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 소재혁신선도사업, KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘ACS Energy Letters’ (IF: 23.101, JCR 상위 3.302%)에 게재되었다.